Luận văn thạc sĩ về đánh giá hiệu năng hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng đa tốc độ

Luận văn thạc sĩ phân tích đánh giá hiệu năng hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng đa tốc độ đường, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho thực tiễn.

• Tác giả: Nguyễn Quang Xuân
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Tuấn Lâm
• Trường học: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
• Đề tài: Đánh Giá Hiệu Năng Hệ Thống Ghép Kênh Quang Đa Tốc Độ
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WDM
• 1.1. Sự phát triển của công nghệ truyền tải quang
• 1.2. Lịch sử phát triển công nghệ truyền tải quang
• 1.3. Cấu tạo cơ bản của sợi quang
• 1.4. Các loại sợi quang
• 1.5. Sự tán sắc
• 2. CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG WDM ĐA TỐC ĐỘ ĐƯỜNG
• 2.1. Giới thiệu chung
• 2.2. Kiến trúc hệ thống WDM đa tốc độ đường
• 2.3. Các thành phần hệ thống
• 2.3.1. Nguồn quang Laser
• 2.3.2. Bộ tách và ghép kênh phân chia theo bước sóng quang
• 2.3.3. Phần tử chuyển đổi quang (OUT)
• 2.3.4. Bộ khuyếch đại EDFA
• 2.3.5. Bộ giám sát kênh quang (OSC)
• 2.4. Kỹ thuật điều chế trong hệ thống WDM đa tốc độ đường
• 2.5. Các yếu tố ảnh hưởng hiệu năng hệ thống WDM đa tốc độ đường
• 2.5.1. Ảnh hưởng hiệu ứng phi tuyến
• 2.6. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG WDM ĐA TỐC ĐỘ ĐƯỜNG
• 3.1. Hệ thống WDM đa tốc độ đường
• 3.2. Mô hình hóa hệ thống WDM đa tốc độ đường 4 kênh
• 3.2.1. Công cụ mô phỏng Optisystem
• 3.2.2. Các thành phần hệ thống WDM đa tốc độ đường
• 3.3. Đánh giá hiệu năng hệ thống WDM đa tốc độ đường
• 3.3.1. Kênh cùng tốc độ
• 3.3.2. Kênh khác tốc độ
• 3.4. Kết luận chương 3
• DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống ghép kênh quang

Hệ thống ghép kênh quang là một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực viễn thông, cho phép truyền tải nhiều tín hiệu quang trên cùng một sợi quang. Công nghệ này đã phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là trong bối cảnh nhu cầu truyền tải dữ liệu ngày càng tăng. Hệ thống ghép kênh quang sử dụng các bước sóng khác nhau để truyền tải thông tin, từ đó tối ưu hóa băng thông và giảm thiểu chi phí. Việc đánh giá hiệu năng của hệ thống này là rất quan trọng để đảm bảo rằng nó có thể đáp ứng được các yêu cầu về tốc độ và chất lượng truyền tải. Theo nghiên cứu, hiệu năng của hệ thống ghép kênh quang phụ thuộc vào nhiều yếu tố như công nghệ ghép kênh quang, tốc độ truyền dẫn và các yếu tố môi trường. Những yếu tố này cần được phân tích kỹ lưỡng để đưa ra các giải pháp tối ưu cho việc triển khai hệ thống.

1.1. Hiệu năng hệ thống quang

Đánh giá hiệu năng hệ thống quang là một phần quan trọng trong nghiên cứu và phát triển công nghệ ghép kênh quang. Hiệu năng của hệ thống được xác định bởi nhiều yếu tố như tỷ lệ lỗi bit (BER), công suất phát và độ dài của tuyến truyền dẫn. Các nghiên cứu cho thấy rằng, với công nghệ ghép kênh quang hiện đại, có thể đạt được tốc độ truyền dẫn lên đến 100 Gbps trên các kênh khác nhau. Điều này không chỉ giúp tăng cường khả năng truyền tải mà còn cải thiện chất lượng dịch vụ. Việc tối ưu hóa hiệu năng hệ thống quang cũng liên quan đến việc giảm thiểu các hiện tượng suy hao và nhiễu trong quá trình truyền tải. Các giải pháp như sử dụng bộ khuếch đại quang và công nghệ điều chế tiên tiến đã được áp dụng để nâng cao hiệu suất của hệ thống.

II. Đánh giá hiệu năng hệ thống WDM đa tốc độ đường

Hệ thống WDM đa tốc độ đường là một trong những ứng dụng quan trọng của công nghệ ghép kênh quang. Hệ thống này cho phép truyền tải đồng thời nhiều tín hiệu với tốc độ khác nhau trên cùng một sợi quang. Việc đánh giá hiệu năng của hệ thống này không chỉ giúp xác định khả năng truyền tải mà còn giúp phát hiện các vấn đề tiềm ẩn trong quá trình hoạt động. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, hệ thống WDM có thể đạt được hiệu suất cao hơn so với các hệ thống truyền thống nhờ vào khả năng tối ưu hóa băng thông và giảm thiểu suy hao. Đặc biệt, việc sử dụng công nghệ DWDM cho phép truyền tải hàng trăm kênh trên cùng một sợi quang, từ đó nâng cao đáng kể dung lượng truyền dẫn. Đánh giá hiệu năng của hệ thống WDM cần được thực hiện thông qua các mô hình mô phỏng và thực nghiệm để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả.

2.1. Mô hình hóa hệ thống WDM

Mô hình hóa hệ thống WDM là một bước quan trọng trong việc đánh giá hiệu năng của hệ thống. Sử dụng các công cụ mô phỏng như Optisystem, các nhà nghiên cứu có thể tạo ra các mô hình chính xác để phân tích hiệu suất của hệ thống. Mô hình này cho phép kiểm tra các yếu tố như tỷ lệ lỗi bit (BER), công suất phát và độ dài tuyến truyền dẫn. Kết quả từ mô hình hóa giúp xác định các điểm yếu trong hệ thống và đưa ra các giải pháp cải tiến. Việc mô phỏng cũng giúp dự đoán hiệu suất của hệ thống trong các điều kiện khác nhau, từ đó tối ưu hóa thiết kế và triển khai hệ thống WDM.

III. Ứng dụng và tiềm năng của hệ thống ghép kênh quang

Hệ thống ghép kênh quang không chỉ có ứng dụng trong lĩnh vực viễn thông mà còn mở ra nhiều tiềm năng trong các lĩnh vực khác như truyền hình, internet và các dịch vụ đa phương tiện. Công nghệ ghép kênh quang cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ cao và độ tin cậy cao, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người dùng. Việc triển khai hệ thống WDM đa tốc độ đường sẽ giúp tối ưu hóa hạ tầng viễn thông, giảm thiểu chi phí và nâng cao chất lượng dịch vụ. Các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông đang ngày càng chú trọng đến việc áp dụng công nghệ này để cải thiện hiệu suất mạng và đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường. Tiềm năng của hệ thống ghép kênh quang trong tương lai là rất lớn, đặc biệt khi công nghệ tiếp tục phát triển và mở rộng.

3.1. Tối ưu hóa hiệu năng quang

Tối ưu hóa hiệu năng quang là một trong những mục tiêu chính trong nghiên cứu và phát triển công nghệ ghép kênh quang. Các giải pháp như sử dụng bộ khuếch đại quang, công nghệ điều chế tiên tiến và các phương pháp giảm thiểu suy hao đã được áp dụng để nâng cao hiệu suất của hệ thống. Việc tối ưu hóa không chỉ giúp cải thiện tốc độ truyền tải mà còn giảm thiểu tỷ lệ lỗi, từ đó nâng cao chất lượng dịch vụ. Các nghiên cứu cho thấy rằng, việc áp dụng các công nghệ mới có thể giúp hệ thống ghép kênh quang đạt được hiệu suất tối ưu, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của công nghệ viễn thông, hệ thống truyền dẫn quang đã trở thành xương sống của hạ tầng mạng toàn cầu. Công nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng (Wavelength Division Multiplexing - WDM) được xem là giải pháp tối ưu nhằm tăng dung lượng truyền dẫn trên cùng một sợi quang, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về băng thông và chất lượng dịch vụ. Theo ước tính, dung lượng truyền tải của các hệ thống quang đã tăng hơn 10.000 lần trong ba thập kỷ qua, với các hệ thống WDM mật độ cao (DWDM) có thể truyền hàng trăm kênh với tốc độ lên đến 40 Gbps mỗi kênh, tổng dung lượng đạt đến terabit trên giây.

Tuy nhiên, sự phát triển của lưu lượng dữ liệu đòi hỏi các hệ thống WDM đa tốc độ đường (Mixed Line Rate - MLR) có khả năng truyền đồng thời các kênh với tốc độ khác nhau như 10 Gbps, 40 Gbps và 100 Gbps trên cùng một sợi quang. Điều này tạo ra thách thức lớn về hiệu năng hệ thống do các hiệu ứng phi tuyến và tán sắc ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá hiệu năng của hệ thống WDM đa tốc độ đường, phân tích các yếu tố ảnh hưởng và đề xuất giải pháp tối ưu nhằm nâng cao phạm vi truyền dẫn và giảm tỷ lệ lỗi bit (BER).

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình hệ thống WDM đa tốc độ đường 4 kênh, sử dụng công cụ mô phỏng Optisystem, với các tham số kỹ thuật phù hợp cho mạng truyền dẫn quang hiện đại. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các mạng viễn thông quang hiệu quả, tiết kiệm chi phí vận hành và bảo trì, đồng thời đáp ứng yêu cầu băng thông ngày càng cao trong tương lai gần.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

• Công nghệ WDM và DWDM: Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng, phân loại các băng sóng (O, E, S, C, L, U), đặc điểm kỹ thuật của các hệ thống WDM mật độ cao và thưa kênh.
• Hiệu ứng tán sắc và phi tuyến trong sợi quang: Bao gồm tán sắc mode, tán sắc vật liệu, tán sắc dẫn sóng, cùng các hiệu ứng phi tuyến như tự điều pha (SPM), điều chế xuyên pha (XPM), trộn bốn bước sóng (FWM), tán xạ do kích thích Brillouin (SBS) và Raman (SRS).
• Kỹ thuật điều chế tín hiệu quang: Các phương pháp điều chế PSK (BPSK, QPSK), điều chế NRZ và RZ, cùng các đặc tính về tỷ lệ lỗi bit (BER) trong môi trường nhiễu AWGN.
• Mô hình hệ thống WDM đa tốc độ đường (MLR): Kiến trúc hệ thống, các thành phần chính như nguồn laser, bộ ghép/tách kênh quang, bộ khuếch đại EDFA, bộ giám sát kênh quang OSC, và các yêu cầu đồng bộ giữa các thành phần.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng hệ thống truyền dẫn quang WDM đa tốc độ đường 4 kênh bằng phần mềm Optisystem. Cỡ mẫu mô phỏng gồm 4 kênh với các tốc độ truyền dẫn khác nhau (10 Gbps, 40 Gbps, 100 Gbps) được phân bổ trong các băng con bước sóng riêng biệt, đảm bảo khoảng cách kênh và băng con phù hợp để giảm thiểu hiệu ứng phi tuyến.

Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng chi tiết từng thành phần hệ thống, bao gồm nguồn phát laser DFB, bộ ghép/tách kênh quang, bộ khuếch đại EDFA với các chế độ khuếch đại khác nhau, và bộ thu tín hiệu sử dụng PIN hoặc APD. Các tham số kỹ thuật được thiết lập dựa trên các tiêu chuẩn công nghiệp và tài liệu tham khảo chuyên ngành.

Phân tích hiệu năng dựa trên các chỉ số chính như tỷ lệ lỗi bit (BER), công suất tín hiệu tại các điểm đầu ra, đồ thị mắt (eye diagram) và phổ tín hiệu đầu vào - đầu ra. Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian thực hiện luận văn, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, thiết kế mô hình, chạy mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của tốc độ kênh đến phạm vi truyền dẫn: Kết quả mô phỏng cho thấy, với hệ thống WDM đa tốc độ đường 4 kênh, phạm vi truyền dẫn tối đa không tái tạo tín hiệu giảm dần theo tốc độ kênh. Cụ thể, kênh 10 Gbps có thể truyền đến khoảng 400 km với BER dưới ngưỡng 10^-3, trong khi kênh 40 Gbps chỉ đạt khoảng 25 km và kênh 100 Gbps còn thấp hơn nữa.
2. Tác động của công suất phát quang đến BER: Khi tăng công suất phát quang từ -10 dBm lên 0 dBm, tỷ lệ lỗi bit giảm đáng kể, đặc biệt ở các kênh tốc độ cao. Tuy nhiên, công suất quá lớn gây ra hiệu ứng phi tuyến làm tăng BER do trộn bốn bước sóng (FWM) và điều chế xuyên pha (XPM).
3. Hiệu quả của bộ khuếch đại EDFA: Sử dụng EDFA với hệ số khuếch đại đồng đều (chênh lệch không quá 1 dB giữa các kênh) giúp duy trì công suất tín hiệu ổn định, giảm suy hao và cải thiện BER trung bình khoảng 30% so với hệ thống không có khuếch đại.
4. Ảnh hưởng của kỹ thuật điều chế: Các phương thức điều chế PSK (BPSK, QPSK) cho hiệu suất BER tốt hơn so với điều chế NRZ và RZ trong môi trường có nhiễu AWGN, đặc biệt khi kết hợp với mã hóa Gray trong QPSK giúp giảm xác suất lỗi bit xuống mức tương đương BPSK nhưng tăng gấp đôi tốc độ dữ liệu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự giảm phạm vi truyền dẫn ở các kênh tốc độ cao là do tán sắc màu và các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang tăng theo tốc độ bit. Các kết quả mô phỏng được minh họa qua đồ thị BER theo độ dài tuyến quang và công suất phát quang, cho thấy xu hướng tăng BER khi cự ly hoặc công suất vượt ngưỡng tối ưu.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả phù hợp với báo cáo của các nhà cung cấp thiết bị quang khi đề cập đến giới hạn truyền dẫn của các kênh 10/40/100 Gbps trong mạng WDM. Việc sử dụng EDFA và kỹ thuật điều chế PSK được xác nhận là giải pháp hiệu quả để nâng cao hiệu năng hệ thống.

Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế và triển khai hệ thống WDM đa tốc độ đường trong thực tế, giúp tối ưu hóa tài nguyên quang, giảm chi phí vận hành và nâng cao chất lượng dịch vụ mạng viễn thông.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa phân bổ công suất đầu vào kênh: Đề xuất điều chỉnh công suất phát quang từng kênh sao cho không vượt quá ngưỡng gây hiệu ứng phi tuyến, nhằm giảm tỷ lệ lỗi bit và kéo dài phạm vi truyền dẫn. Chủ thể thực hiện: Nhà cung cấp thiết bị và kỹ sư mạng, trong vòng 6 tháng.
2. Ứng dụng kỹ thuật bù tán sắc chủ động: Sử dụng các mô-đun bù tán sắc (DCF, DCM) phù hợp với từng tốc độ kênh để giảm thiểu hiện tượng giãn xung, nâng cao chất lượng tín hiệu. Chủ thể thực hiện: Đội ngũ thiết kế mạng, trong 1 năm.
3. Triển khai bộ khuếch đại EDFA với đặc tính đồng đều: Lựa chọn và cấu hình EDFA đảm bảo hệ số khuếch đại bằng phẳng trên toàn bộ dải bước sóng, giảm thiểu sự biến động công suất giữa các kênh. Chủ thể thực hiện: Nhà sản xuất thiết bị và nhà khai thác mạng, trong 9 tháng.
4. Áp dụng kỹ thuật điều chế và mã hóa tiên tiến: Khuyến khích sử dụng QPSK với mã hóa Gray hoặc các kỹ thuật điều chế vi phân để tăng hiệu suất truyền dẫn và giảm BER. Chủ thể thực hiện: Bộ phận nghiên cứu phát triển và vận hành mạng, trong 1 năm.
5. Giám sát và quản lý chất lượng tín hiệu qua kênh OSC: Tăng cường sử dụng bộ giám sát kênh quang để phát hiện sớm các lỗi và điều chỉnh thông số hệ thống kịp thời. Chủ thể thực hiện: Đội ngũ vận hành mạng, liên tục trong quá trình khai thác.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và chuyên gia viễn thông quang: Nghiên cứu giúp hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng hệ thống WDM đa tốc độ đường, từ đó thiết kế và vận hành mạng quang hiệu quả hơn.
2. Nhà quản lý và hoạch định mạng viễn thông: Cung cấp cơ sở khoa học để đưa ra các quyết định đầu tư, nâng cấp hạ tầng mạng phù hợp với xu hướng phát triển công nghệ.
3. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật viễn thông: Tài liệu tham khảo chuyên sâu về công nghệ WDM, kỹ thuật điều chế và các hiệu ứng quang trong truyền dẫn.
4. Nhà sản xuất thiết bị quang và phần mềm mô phỏng: Tham khảo để phát triển các sản phẩm phù hợp với yêu cầu đa tốc độ và đa kênh, nâng cao tính cạnh tranh trên thị trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống WDM đa tốc độ đường là gì?
   Hệ thống WDM đa tốc độ đường (MLR) là mạng truyền dẫn quang cho phép truyền đồng thời các kênh với tốc độ khác nhau (ví dụ 10, 40, 100 Gbps) trên cùng một sợi quang, giúp tối ưu hóa tài nguyên và đáp ứng nhu cầu đa dạng về băng thông.

2. Tại sao hiệu ứng phi tuyến lại ảnh hưởng đến hệ thống WDM?
   Hiệu ứng phi tuyến như tự điều pha (SPM), điều chế xuyên pha (XPM) và trộn bốn bước sóng (FWM) gây méo tín hiệu và tăng tỷ lệ lỗi bit, đặc biệt khi công suất tín hiệu cao hoặc khoảng cách kênh nhỏ, làm giảm phạm vi truyền dẫn và chất lượng dịch vụ.

3. Làm thế nào để giảm thiểu tán sắc trong hệ thống WDM?
   Sử dụng các mô-đun bù tán sắc (DCF, DCM) và lựa chọn bước sóng làm việc phù hợp (ví dụ 1310 nm không tán sắc) giúp giảm giãn xung và nhiễu liên ký tự, từ đó cải thiện hiệu năng truyền dẫn.

4. Ưu điểm của kỹ thuật điều chế QPSK so với BPSK là gì?
   QPSK truyền được 2 bit trên mỗi ký tự, tăng gấp đôi tốc độ dữ liệu so với BPSK trong cùng băng thông, đồng thời giữ được tỷ lệ lỗi bit tương đương nhờ mã hóa Gray, phù hợp cho các hệ thống tốc độ cao.

5. Vai trò của bộ khuếch đại EDFA trong hệ thống WDM?
   EDFA khuếch đại đồng thời nhiều kênh quang với công suất ổn định, giảm số lượng trạm lặp điện 3R, giúp mở rộng phạm vi truyền dẫn và duy trì chất lượng tín hiệu trong mạng WDM mật độ cao.

Kết luận

• Hệ thống WDM đa tốc độ đường là giải pháp quan trọng để đáp ứng nhu cầu băng thông ngày càng tăng trong mạng viễn thông quang hiện đại.
• Hiệu năng hệ thống chịu ảnh hưởng lớn bởi các yếu tố như tán sắc, hiệu ứng phi tuyến, công suất phát và kỹ thuật điều chế tín hiệu.
• Sử dụng bộ khuếch đại EDFA đồng đều, kỹ thuật bù tán sắc và điều chế PSK giúp cải thiện đáng kể phạm vi truyền dẫn và giảm tỷ lệ lỗi bit.
• Nghiên cứu mô phỏng bằng Optisystem cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế và triển khai hệ thống WDM đa tốc độ đường thực tế.
• Các bước tiếp theo bao gồm thử nghiệm thực tế, tối ưu hóa cấu hình hệ thống và phát triển các giải pháp quản lý mạng thông minh nhằm nâng cao hiệu quả vận hành.

Các nhà nghiên cứu và kỹ sư viễn thông được khuyến khích áp dụng các kết quả và đề xuất trong luận văn để phát triển các hệ thống truyền dẫn quang đa tốc độ hiệu quả, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng về công nghệ truyền dẫn coherent và xử lý tín hiệu số trong mạng quang tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WDM 1.1 Sự phát triển của công nghệ truyền tải quang Ngay từ xa xưa để thông tin cho nhau, con người đã biết sử dụng ánh sáng để báo hiệu. Qua thời gian dài của lịch sử phát triển nhân loại, các hình thức thông tin phong phú dần và ngày càng được phát triển thành những hệ thống thông tin hiện đại như ngày nay, tạo cho mọi nơi trên thế giới có thể liên lạc với nhau một cách thuận lợi và nhanh chóng. Cách đây 20 năm, từ khi các hệ thống thông tin cáp sợi quang được chính thức đưa vào khai thác trên mang viễn thông, mọi người đều thừa nhận rằng phương thức truyền dẫn quang đã thể hiện khả năng to lớn trong việc chuyển tải các dịch vụ viễn thông ngày càng phong phú và hiện đại của nhân loại.

Trong vòng 10 năm trở lại đây, cùng với sự tiến bộ vượt bậc của của công nghệ điện tử - viễn thông, công nghệ quang sợi và thông tin quang đã có những tiến bộ vượt bậc. Các nhà sản xuất đã chế tạo ra những sợi quang đạt tới giá trị suy hao rất nhỏ, giá trị suy hao 0,154 dB/km tại bước sóng 1550 nm đã cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sợi quang trong hơn hai thập niên qua. Cùng với đó là sự tiến bộ lớn trong công nghệ chế tạo các nguồn phát quang và thu quang, để từ đó tạo ra các hệ thống thông tin quang với nhiều ưu điểm trội hơn so với các hệ thống thông tin cáp kim loại. Dưới đây là những ưu điểm nổi trội của môi truờng truyền dẫn quang so với các môi trường truyền dẫn khác như: Suy hao truyền dẫn nhỏ, băng tần truyền rất lớn, không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ, có tính bảo mật tín hiệu thông tin cao, có kích thước và trọng lượng nhỏ, sợi có tính cách điện tốt, độ tin cậy cao và sợi quang được chế tạo từ vật liệu rất sẵn có…[1, 2] Chính bởi các lý do trên mà hệ thống thông tin quang đã có sức hấp dẫn mạnh mẽ các nhà khai thác viễn thông.

Các hệ thống thông tin quang không những chỉ phù hợp với các tuyến thông tin xuyên lục địa, tuyến đường trục, và tuyến trung kế mà còn có tiềm năng to lớn trong việc thực hiện các chức năng của mạng nội hạt Luan van 3 với cấu trúc tin cậy và đáp ứng mọi loại hình dịch vụ hiện tại và tương lai. Mô hình chung của một tuyến thông tin quang được mô tả như hình 1.1: Các thành phần chính của tuyến truyền dẫn cáp sợi quang 1.1 Lịch sử phát triển công nghệ truyền tải quang Với khởi đầu là sự phát triển thành công công nghệ laser và được tiếp nối bằng những tiến bộ trong công nghệ vật liệu và xử lý quang học, truyền tải quang trong mạng viễn thông đã sớm trở thành hiện thực từ những năm 1980. Trong hơn ba mươi năm vừa qua, công nghệ truyền tải quang đã được phát triển nhanh chóng, dung lượng truyền tải tăng lên hơn 10 ngàn lần. Quá trình phát triển của công nghệ truyền tải quang được chia thành ba thời kỳ (thế hệ) tương ứng với ba xu hướng tiến bộ công nghệ chính bao gồm: - Thế hệ thứ nhất - Công nghệ ghép kênh theo thời gian TDM: được dựa trên kỹ thuật ghép kênh trong miền điện.

- Thế hệ thứ hai - Công nghệ khuếch đại quang kết hợp với công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang WDM: đang được ứng dụng rộng khắp trong các mạng truyền tải - Thế hệ thứ ba - Công nghệ coherent số: là công nghệ hiện mới trong quá trình nghiên cứu phát triển. Thế hệ truyền dẫn quang thứ nhất bắt đầu từ năm 1980 đến những năm đầu của thập kỷ 90. Trong giai đoạn này, ghép kênh theo thời gian Luan van 4 TDM là công nghệ truyền tải chính trong các hệ thống truyền dẫn sợi quang. Các hệ thống này, các thiết bị điện và quang tốc độ cao cũng như các bộ khuếch đại quang là chìa khóa để hiện thực các hệ thống truyền dẫn quang đường trục tốc độ cao.

Các hệ thống này thực hiện ghép kênh TDM lên một bước sóng quang và có khả năng hỗ trợ truyền tải với dung lượng 10 Gbps [2]. Từ cuối những năm 1990 đến nay, những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ truyền dẫn quang như công nghệ laser, công nghệ khuyếch đại quang và đặc biệt là công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM đã góp phần tạo ra sự đột phá trong quá trình phát triển dung lượng của hệ thống truyền tải quang. Tương tự với kỹ thuật ghép kênh theo tần số trong miền tín hiệu điện, nguyên lý cơ bản của công nghệ WDM là thực hiện truyền đồng thời các tín hiệu quang thuộc nhiều bước sóng khác nhau trên cùng một sợi quang. Do đó, công nghệ WDM cho phép xây dựng những hệ thống truyền tải thông tin quang có dung lượng lớn hơn nhiều so với hệ thống thông tin quang đơn bước sóng.

Không những thế, công nghệ WDM hiện nay còn có khả năng cho phép mỗi sợi quang mang đồng thời hàng trăm hoặc thậm chí hàng ngàn bước sóng (sử dụng DWDM hay ultra-DWDM) và mỗi bước sóng lại có thể truyền dẫn với tốc độ rất cao. Hệ thống truyền dẫn WDM mới nhất với 40 bước sóng ở tốc độ 40 Gbps/bước sóng đã bắt đầu được triển khai trong một số mạng lõi, và dung lượng truyền dẫn tổng đạt đến 1. Công nghệ truyền dẫn WDM hiện đang là và trong tương lai gần vẫn sẽ là công nghệ truyền dẫn nền tảng cho mạng toàn quang [1]. Tuy nhiên, để bắt kịp với sự phát triển nhanh chóng của lưu lượng truyền tải trong tương lai, các công nghệ mới hỗ trợ các hệ thống truyền tải quang 10 Tbit/s dựa trên tốc độ 100 Gbps/kênh đang được hướng đến.

Một trong các công nghệ ứng cử viên hấp dẫn cho các hệ thống WDM tốc độ truyền dẫn nối tiếp 100 Gbps là truyền dẫn coherent số quang trong đó kết hợp tách quang coherent và xử lý tín hiệu số quang. Suy hao trên sợi quang Luan van 5 Suy hao trong hệ thống được biểu diễn như sau: P Loss  out (1.1) pin Trong đó, là công suất đi vào sợi cáp và là công suất cho phép ở đầu ra của sợi cáp quang. Để thuận tiện, suy hao sợi quang thường được biểu diễn dưới dạng decibels (dB) và được tính như sau: Pout LossdB  10 log (1.2) Pin Suy hao trong sợi quang cũng được biểu diễn là (dB/km), tức là suy hao trung bình trong sợi quang dài 1 kilomet. Công suất quang trong các hệ thống sợi quang thường được biểu diễn là dBm, đó là do decibel được quy vào 1mW.

Với công suất quang được biểu diễn là dBm, công suất lối ra mọi nơi trong hệ thống có thể được xác định đơn giản bởi biểu diễn công suất lối vào là dBm và trừ đi các thành phần suy hao riêng lẻ cũng được biểu diễn là dBm. Các nguyên nhân chính gây ra suy hao trong sợi quang là: Do hấp thụ bởi vật liệu hay tạp chất cấu tạo nên sợi quang, tán xạ tuyến tính và do bị uốn cong. Cấu tạo cơ bản của sợi quang Ứng dụng hiện tượng vật lý phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo cơ bản gồm có 2 lớp như sau: Cấu trúc tổng quát được minh họa trong hình 1.2: Cấu trúc cơ bản của sợi quang - Lớp trong cùng (lớp lõi) có dạng hình trụ tròn, có đường kính d = 2a, làm bằng thủy tinh có chiết suất n1 được gọi là lõi sợi (core) - Lớp thứ 2 cũng có dạng hình trụ bao quanh lõi nên được gọi là lớp vỏ bọc (cladding) có đường kính D = 2b, làm bằng thủy tinh hoặc nhựa plastic, có chiết suất n2 < n1. Luan van 6 Hình 1.3: Cơ chế ánh sáng lan truyền trong sợi quang Ánh sáng truyền từ đầu này đến đầu kia của sợi quang bằng cách phản xạ toàn phần tại mặt ngăn cách giữ lõi và lớp vỏ bọc, và được định hướng trong lõi.3 minh họa cơ chế ánh sáng lan truyền trong sợi quang.

Các loại sợi quang Có 3 loại cáp sợi quang cơ bản được sử dụng trong hệ thống thông tin quang:  Sợi đa mode chiết suất bậc: Sợi đa mode chiết suất bậc có chiết suất khúc xạ biến đổi từ thấp - cao - thấp khi được tính từ lớp vỏ (cladding) – lõi (core) – vỏ (cladding) (Hình 1. Thuật ngữ “đa mode” nói lên thực tế rằng có nhiều mode làm việc trong sợi quang. Sợi đa mode chiết suất bậc được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu tốc độ bit thấp và băng rộng (< 1GHz) trên khoảng cách ngắn (<3 km) như là mạng nội bộ (LAN) hoặc 1 mạng đường trục cỡ nhỏ.4: Mô tả sợi đa mode chiết suất bậc  Sợi đơn mode chiết suất bậc: Được mô hình trong hình 1. Luan van 7 Hình 1.5: Mô tả sợi quang đơn mode chiết suất bậc Sợi đơn mode chiết suất bậc cho phép chỉ một đường, hoặc mode cho ánh sáng đi qua sợi quang, được minh họa trong hình 1.

Trong sợi đa mode chiết suất bậc, số mode truyền có thể được tính xấp xỉ là: V2 Mn  (1.3) 2 Ở đây V được hiểu là tần số, hay V-number, liên quan đến kích thước sợi quang, chỉ số khúc xạ, và bước sóng. V-number được cho bởi phương trình sau:  2 a  V  xN .5) Trong phương trình trên, a là bán kính lõi sợi quang, λ là bước sóng làm việc, N.A là khẩu độ số, 1 là chiết suất lõi, 2 là chiết suất lớp vỏ và là chênh lệch chỉ số khúc xạ giữa lõi và vỏ. Các sợi đơn mode được sử dụng trong các ứng dụng mà trong đó yêu cầu suy hao tín hiệu thấp và yêu cầu tốc độ dữ liệu cao, như là trong các tuyến đường dài mà ở đó khoảng cách lặp hay là khuếch đại đạt được tối đa. Bởi vì sợi đơn mode cho phép chỉ một mode hay tia sáng để truyền (mode bậc thấp nhất), nó không bị tán sắc mode giống như sợi đa mode và vì thế có thể được sử dụng cho các ứng dụng băng rộng cao hơn.

Tuy nhiên, thông thường sợi đơn mode không bị ảnh hưởng bởi sự tán sắc mode, ở tốc độ dữ liệu cao hơn sự tán sắc màu có thể giới hạn hiệu năng của đường truyền. Hạn chế chính của sợi đơn mode là tương đối khó Luan van 8 khăn để làm việc vì kích thước lõi của nó nhỏ. Sợi đơn mode được sử dụng chỉ với nguồn phát laser.  Sợi chiết suất giảm dần: Sợi chiết suất giảm dần là một sự ràng buộc giữa thông số độ rộng lõi và khẩu độ số N.